Frischluftzufuhr für die Zylinder
MultiAir-Technologie im Alfa Mito
02.12.2009 | Autor: Werner Degen
Um dem konventionellen Ottomotor auf die Sprünge zu helfen, haben sich die Ingenieure von Fiat Power Train Technologies (FPT) und der Herzogenauracher Schaeffler-Gruppe zwei Konstruktionselemente des Ottomotors näher angesehen, die bis dato einer effizienteren Entwicklung im Wege standen: die Drosselklappe und die Ventilsteuerung.
Bei Ottomotoren werden mithilfe einer elektronisch gesteuerten Drosselklappe und des Luftmassensensors die Luftmasse, das Gemischverhältnis (Luft zu Kraftstoff) und die Abgasreinigung gesteuert. Bei Motoren mit geeigneter Aufladung kann auch der Ladedruck geregelt werden. Der Einsatz von Drosselklappen ist dabei eine vergleichsweise einfache Methode zur Dosierung der vom Fahrer angeforderten Leistung. Sie hat allerdings den Nachteil, dass mit ihr sogenannte Drosselungsverluste – und das meist im typischen Bereich des normalen Fahrbetriebs – verbunden sind.
Moderne Motoren benötigen wegen der Abgasnachbehandlung ein bestimmtes Brennstoff-Luft-Verhältnis, weil nur bei diesem die Lambdaregelung funktioniert. Das heißt, um die Leistung zu variieren, kann nicht einfach mehr oder weniger Kraftstoff zugegeben werden, sondern die Gemischmenge muss angepasst bzw. konstant gehalten werden. Genau das stellt die Drosselklappe ein: Sie gibt der erzeugten Frischluftmenge eine bestimmte Kraftstoffmenge zu. Weil das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Menge reguliert wird, spricht man von einer quantitativen Gemischregulierung.
„Quantensprung in Sachen Antriebstechnik“
Der Einlassventilsteuerung über die Nockenwelle mangelt es allerdings an Flexibilität. Darum gab es bereits früher Bestrebungen, die Ventilsteuerung zu flexibilisieren. In relativ engen Grenzen haben mechanische Systeme wie fasenverstellbare Nockenwellen und variable Hubverstellung (beispielsweise die Valvetronic von BMW oder die VTEC von Honda) dazu beigetragen, die begrenzte Aktionsfreiheit der Ansaugventile zu überwinden. Fiat hat mit der Multiair-Technologie die übliche Einlassnockenwelle durch ein gänzlich neues Steuerungssystem ersetzt.
Hinter dem „Quantensprung in Sachen Antriebstechnik“ (O-Ton Fiat) verbirgt sich eine elektrohydraulische Ventilsteuerung, die diese Einlassnockenwelle ersetzt. Das System ist in der Lage, das Profil der Ventilhübe ohne Nockenwelle dem tatsächlichen Luftverbrauch des Motors anzupassen. Im Klartext bedeutet das: Mithilfe von Multiair lassen sich die Einlassventile zylinderindividuell steuern und in ein und demselben Zyklus gegebenenfalls sogar zweimal öffnen.
Dafür sorgt je eine elektrohydraulische Einheit pro Zylinder mit separater Hydraulikkammer. Die systembedingten Einschränkungen einer konventionellen mechanischen Nockenwelle werden so überwunden. Um die Verbrennung effizienter zu machen, werden – abhängig von der jeweiligen Fahrsituation – im Grundsatz vier unterschiedliche Steuermodi gefahren:
- 1. LIVO – Late Intake Valve Opening (Späte Einlassventilöffnung): Damit ist eine verzögerte Ventilöffnung beim Motorstart oder auch im Leerlauf gemeint.
- 2. EIVC – Early Intake Valve Closing: Der Begriff beschreibt eine vorgezogene Ventilschließung im Teillastbereich, die variabel angefahren werden kann.
- 3. Multilift: Das ist eine zweifache Öffnung des Einlassventils im selben Verbrennungszyklus, um eine maximale Agilität z.B. beim Stop-and-Go-Betrieb in der Stadt zu erreichen.
- 4. Full-Lift-Modus: Das beschreibt die vollständige Ventilöffnung bei maximaler Leistungsanforderung, sei es zur Beschleunigung oder bei Hochgeschwindigkeitsfahrten auf der Autobahn. Für den Full-Lift-Modus gilt: Weil die Ansaugventile die Last regeln, lässt sich die Verbrennung auch bei Autobahnfahrten noch optimieren. Multiair benötigt eine Begrenzung desjenigen Bereichs, in dem ein sogenanntes fettes Gemisch gefahren wird. Selbst bei Fahrgeschwindigkeiten um 150 km/h liegt das Kraftstoff-Luft-Verhältnis noch im stöchiometrischen Bereich und garantiert so einen besonders sparsamen und sauberen Betrieb – trotz zügiger Fahrweise.
Multiair-Technologie im Detail
Multiair steuert die Ventile auf der Einlassseite und macht so die entsprechende Nockenwelle überflüssig. Jeder Zylinder verfügt über ein eigenes Hydrauliksystem mit separater Hydraulikkammer. Eine zusätzliche „Kommandonocke“ treibt mechanisch eine Hydraulikpumpe an und überträgt auf diesem Weg die Grundöffnungszeit an das Multiairsystem. Ist das elektronisch gesteuerte Magnetventil in der Hydraulikkammer geschlossen, kann kein Öl fließen und die Hydraulikkammer verhält sich wie ein starres Bauteil. In diesem Fall verläuft das Ventilspiel wie mit einer konventionellen Einlassnockenwelle.
Ist aber das Magnetventil in der Hydraulikkammer geöffnet, sind Nocken und Ventile voneinander entkoppelt. Die Einlassventile folgen nicht mehr dem starren Rhythmus der Nocke, sondern schließen durch die Federkraft variabel. In diesem Fall steuert eine magnetventilgesteuerte Mechatronik, die für eine Einlasscharakteristik sorgt, die Nocke.
Die Intelligenz des Systems sorgt für eine Luftzufuhr in die Zylinder, die sich den tatsächlichen Anforderungen insbesondere im Teillastbereich anpasst. Hier liegt der Hauptgrund für die Effizienzsteigerung, denn auf diesem Wege passt sich die Zylinderbefüllung jedem Lastzustand bestens an.
Dabei spielt sowohl die Länge der Öffnungs- und Schließzeiten eine Rolle als auch deren Zeitpunkt. Ein Steuergerät managt das Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik in Sekundenbruchteilen und optimiert damit den Wirkungsgrad des Triebwerks.
Weniger Schadstoffemissionen im Stadtverkehr
Neben der Leistungs- und Effizienzsteigerung sinken insbesondere in der Kaltlaufphase des Motors die Emissionen signifikant. Die Stickoxide (NOX) sinken um bis zu 60 Prozent. Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) reduzieren sich um bis zu 40 Prozent. Der Fahrer des Mito merkt den Unterschied eigentlich kaum. Er registriert bei entsprechend klarer Gaspedalstellung lediglich, dass der Motor sehr agil anspricht. Geht er vorsichtig mit dem Gasfuß um, hat er eher das Gefühl, dass das System von sich aus für einen sparsamen Steuerungsmodus sorgt.
Über die systembedingte Sparsamkeit hinaus haben alle Multiair-Mitos serienmäßig ein Start-Stopp-System an Bord. Sobald der Wagen zum Stehen kommt und der Fahrer im Leerlauf den Fuß von der Kupplung nimmt, schaltet der Motor automatisch ab. Tritt der Fahrer das Kupplungspedal wieder, startet der Motor selbsttätig.
Im Stadtverkehr senkt das den Durchschnittsverbrauch um bis zu zehn Prozent. Ein sogenannter Gier-Shift-Indikator signalisiert dem Fahrer, wann er in den nächsthöheren Gang schalten soll, und hilft so beim Spritsparen. Bleibt zu hoffen, dass der Fahrer auf das System hört.
Vorteile von Multiair
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